Тема 1.3. Основы сварочного производства.

Физическая сущность процесса сварки.

Сварка - это процесс соединения металлических и
неметаллических материалов, при котором устанавливаются межатомные и межмолекулярные связи.

Сварка бывает двух основных типов: сварка давлением и сварка плавлением. Сварка давлением происходит в 2 стадии:

- сближение соединяемых поверхностей заготовок до образования физического контакта;

- появление на соединяемых поверхностях межатомных металлических связей.

Свариваемые поверхности должно быть подготовлены.

При сварке плавлением происходит расплавление свариваемых кромок с образованием сварочной ванны, которая при застывании образует сварной шов. Стык заполняется плавящимся электродом или металлом присадочного прутка.

К методам сварки плавлением относят: электродуговую, шлаковую, лазерную, газовую, плазменную и т.д.

К методам сварки давлением относят: газопрессовую, трением, холодную, взрывом, электроконтактную, ультразвуковую и т.д.

Историческая справка.

1802г. – акад. Петров открыл явление ел. дуги.

1882г. – русский инженер Бенардос провел сварку угольным электродом.

1888г. – русский инженер Славянов провел сварку плавящимся металлическим электродом.

1940г. – в Киеве был открыт НИИ Сварки академиком Патоном.

Все основные открытия в области сварочного производства были сделаны русскими инженерами, учеными, рабочими-новаторами.

Электродуговая сварка.

Эл. дуга выделяет большое количество тепла и света. Катодная и анодная зоны имеют 2300°. В столбе дуги температура – 6000-8000°.

Типы сварных соединений:

1. Стыковое

- без разделки кромок

- с односторонней разделкой (V-образная) (h>10мм)

- чашеобразная

- с двухсторонней (h>30мм)

2. Нахлесточные

3. Тавровое

4. Угловое

Электроды для ручной сварки бывают:

1. Металлические – стержень длиной 30 см с обмазкой. Длина электрода зависит от его диаметра. Стальной электрод изготавливают из углеродистой или легированной стали (75 марок), диаметр от 0,3-12 мм. Состав покрытия зависит от свариваемого материала в который входят шлакообразующие, раскисляющие, легирующие компоненты – в виде порошка – перемешивают в растворе жидкого стекла – наносят на стержень окунанием. Обмазка должна защищать расплавленный металл от окисления, разбрызгивания, легировать шов.

Технология ручной дуговой сварки:

- электрод касается изделия – зажигают дугу – отводят на 3-6 мм.

- по положению в пространстве швы бывают нижние, вертикальные, потолочные.

- при большой толщине сварив. заготовок ведения электрода может быть: елочкой, дугой, восьмеркой – при максимальной толщине.

Основным недостатком сварки является большие внутренние напряжения в околошовной зоне из-за перепада температуры. Для снижения напряжения применяют высокий отпуск, нормализацию, отжиг.

Автоматическая сварка под флюсом.

Подача и перемещение электродной проволоки автоматизированы, при этом сварочная ванна засыпается флюсом, который расплавляется, образуя шлаковую ванну на поверхности. Шлак защищает металл от окисления, от разбрызгивания.

Автоматическая сварка в 5-10 раз производительней ручной, качество шва отличное. Дуговой промежуток может быть до 0,5 мм.

Скорость подачи и перемещения проволоки, зависит от толщины свариваемых изделий.

При полуавтоматической сварке перемещение вдоль шва проволоки производят вручную, а разматывание проволоки и подача флюса – автомат.

Флюс представляет собой зернообразный продукт с размером зерна 1-3 мм. Флюсы должны обеспечивать: 1. Устойчивое горение дуги. 2. Требуемый химический состав и механ. свойства шва. Флюс состоит из соединений Mn, Si и добавок легир. элементов.

Э лектрошлаковая сварка.

Ползуны 1 перемещаются вдоль заготовок 2 вверх. Ползуны имеют внутри каналы, в которых циркулирует холодная вода для охлаждения. Сварочная проволока 3 подается автоматически к листу сварки. Шлаковая ванна 5 перемещается на сварочной ванне 4 вверх по мере формирования сварочного шва 6. Дуга горит под слоем шлаковой ванны, глубина которой может быть от 25 до 70 мм.

Зазор между заготовками может быть 20-40 мм. Толщина заготовок может быть до 300мм: барабаны паровых котлов, хим. аппаратуры, корпусные детали прессов, колеса гидравлических турбин.

Сварка в защитных газах.

Процесс основан на вытеснении окружного воздуха от зоны сварки.

В качестве защитных применяют инертные газы (аргон и гелий), активные (CO₂, N₂, H₂), а также смеси инертных и активных.

Газ можно подавать через сопло локально. Если требуется защитить весь шов от контакта с окруж. атмосферой, то сварку выполняют в герметичной камере, заполненной инертным газом.

Таким способом сваривают угл-е, высоколег-е стали, цветные металлы, тугоплавкие сплавы (Ti, Ta, Mo). Сварка бывает автоматической и полуавтоматической плавящимся и неплавящимся электродом.

Сварка под водой в среде углекислого газа и смесях углекислого газа с кислородом, в месте сварки создается воздушный пузырь, что позволяет провести эл-дуговую сварку.

Газовая сварка.

Расплавление кромок изделий производится при сгорании горючего газа в среде кислорода.

В качестве горючих применяют ацетилен, пропан, бутан, природный газ, водород, пары бензина и керосина и т.д.

Наиболее широко применяют ацетилен (C₂H₂), так как он дает более высокую температуру 3200°.

Ацетилен получают из карбида кальция воздействием воды.

Ацетиленовый баллон 40л произвольно заполняют активированным углем и на 1/3 заливают ацетоном. Ацетон хорошо растворяет ацетилен, поэтому баллон заполняется под давлением 1,5 МПа 5500л. (белый цвет баллона).

Технический кислород в 40л баллоне (синий цвет) содержится под давлением 15 МПа – 600л. Горелка должна быть безопасной.

По шлангу к вентилю 5 подается кислород. Инжектор 4 имеет малое отверстие, которое позволяет при выходе из него разродить O₂, позволяя поднять давление ацетилена. В смесительной камере 3 кислород и ацетилен растворяются в нужных пропорциях. Смесь через трубку наконечника 2 и мундштук 1 выходит в атмосферу, где при воспламенении образуется газовое пламя.

Мундштук съемный с разного диаметра на выходе. При помощи вентилей 5 регулируется мощность пламени – в зависимости от толщины изделий.

Газовая сварка исполняется в основном, в стыковых соединениях небольшой толщины.

Газовая сварка бывает правая и левая.

Правая – горелка располагается перед прутком

Сварка ведется слева направо

Левая – горелка располагается за прутком.

Электроконтактная сварка.

Это вид сварки давлением.

Электронный ток проходит через соединяемые детали и в месте контакта из-за большого сопротивления выделяемая большое количество теплоты.

Контактная сварка бывает стыковая, точечная, шовная.

С тыковая сварка

Детали закрепляют в зажимах (электродах) стыковой машины. При включении электронного тока в месте контакта деталей из-за зазора возникает максимальное сопротивление – максимальный нагрев (оплавление) стыков. Перед сваркой поверхность соединяемых деталей должна быть тщательно подготовлена (шлифование). Такую сварку применяют для соединения изделий сечением (диаметром до 20 мм) в изг-ть режущий инструмент.

Точечная сварка

Соединение внахлестку

Э лектроды являются пуансонами. При пропускании электронного тока максимальный нагрев получается в зазоре между соединенными листами. Затем электроды сдавливаются. Расплавленный металл в стыках образует общую точку. Такой способ сварки применяют, когда не требуется герметичность соединения. Суммарная толщина свариваемых изделий от 0,5 – 6 мм. Сварка может быть автоматизирована и механизирована.

Шовная сварка

С оединение внахлестку. Листы зажимают между медными роликами (электродами).

Шов может быть сплошной и прерывистый. Сплошной шов получается в том случае, если ток подается постоянно, ролики вращаются постоянно – при необходимой герметичности. Прерывистый шов получается, если ток подается импульсами.

Применяют, когда герметичность шва необязательна.

Прерывистый шов можно получить еще следующим способом: во время вращения роликов ток отключен, при остановке роликов включают ток и сжимают ролики. Толщина свариваемых листов от 0,3 до 3 мм.

Холодная сварка.

(1949г. академик К.К. Хренов)

Возможна для соединения изделий из материала, обладающего высокой пластичностью. При сварке внахлестку свариваемые листы обезжиривают и зачищают стальной щеткой. Сдавливают пуансонами так, что каждый пуансон внедряется в металл на глубину 70-80% толщины свариваемого листа. В результате возникают межатомные связи из-за диффузии. Схема соединения весьма близка к соединению идеально чистых поверхностей. Холодную сварку применяют для соединения алюминия и его сплавов, меди, никеля, свинца, олова, цинка и др.

Сварка взрывом.

Применяют для соединения однородных и разнородных металлов. На жестком основании 5 устанавливают одну пластину 4. Вторую 3 располагают под некоторым углом, на ней располагают взрывчатое вещество 2 и детонатор 1. Под действием давления взрывной волны пластина 3 падает на пластину 2. При этом разбиваются жировые и окисные пленки. Пластины сближаются до возникновения межатомных связей.

Сварка трением.

(рабочим-новатором А. И. Чудиковым)

При сварке используется теплота, выделяемая при трении. При взаимном трении соединяемых поверхностей они очищаются от жировых и окисных пленок. После выключения механизма движения изделия резко сдавливаются. Происходит диффузия с образованием сварного соединения.

Е сли соединяемые детали имеют поверхность вращения, то одной из заготовок придают вращательное движение, затем заготовки резко сдавливают. Если заготовки имеют сечение, отличающееся, то одной из них задают вращательно поступательное движение.